摘要：近年来，经济的发展，促进我国科技水平的提升。随着航天技术的不断进步，深空探测成为了各国宇航界的热点研究领域。对于航天器用电子产品来说，深空探测时的低温是其面临的重要挑战之一。有研究表明，电子产品的失效有75%是由于焊点失效造成的，而电子产品中焊点失效则主要是由于温度变化造成的力学性能下降引起的。以火星环境为例，其表面温度最低达到了-130℃，焊点的可靠性是保证电子产品在火星表面可靠服役的先决条件。由于我国深空探测经验尚浅，对于电子产品组装用焊料的相关优选研究也比较少。
关键词：电子产品；焊料；低温；力学性能
引言
一直以来，铅锡合金作为电子工业的主要封接材料，在电子部件装配上占主导地位。然而铅及铅化合物属剧毒物质，对人体及牲畜具有极大的毒性。尤其是近年来随着人们环保意识的增强和对于自身健康的关注，铅污染越来越受到人们的重视。
1电子产品可靠性的提高
随着电子信息产业日新月异的发展,组装密度越来越高,微电子器件中的焊点越来越小,而其所承载的力学、电学和热力学负荷则越来越重,对可靠性要求日益提高,传统的SnPb焊料剪切强度、抗蠕变和抗热疲劳能力较差,导致焊点过早失效,需要研发高性能无铅焊料来替代传统的锡铅焊料,以提高焊点可靠性。因此,无铅焊料的开发和利用,不仅对环保有利,还担负着提高电子产品质量的重要任务。
2试验设计
使用线切割的方法制作Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2、In50Pb50与Pb88Sn10Ag2焊料标准样件，试验件完成线切割后分别使用粒径15μm、10μm砂纸进行打磨，去除凹坑、毛刺等缺陷，然后使用异丙醇进行清洗。分别在-196℃、-150℃、-100℃、-50℃、室温条件下进行拉伸试验，为了模拟焊点实际条件的受力行为，将拉伸应变速率设定为10-3mm/s，每种焊料在每个温度条件下测试四个试样，得出拉伸断裂强度、应力应变曲线，并对试验件断口进行扫描电镜分析。
（1）拉伸断裂强度。Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2、In50Pb50、Pb88Sn10Ag2焊料在不同温度条件下的拉伸断裂强度。在室温下，Sn62Pb36Ag2焊料的拉伸断裂强度最高，达到了48.2MPa。随温度下降，Sn63Pb37与Sn62Pb36Ag2两种焊料的拉伸断裂强度均先上升后下降，在-150℃拉伸断裂强度达到最高。相比而言，In50Pb50、Pb88Sn10Ag2两种焊料的拉伸断裂强度则随温度下降一直升高，不存在强度下降的拐点。这说明，在低温下Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2两种焊料的断裂机理发生了改变，而在-196℃～室温这一温度范围内In50Pb50、Pb88Sn10Ag2两种焊料不存在这样的变化。
（2）断后延伸率。Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2、In50Pb50、Pb88Sn10Ag2焊料在不同温度条件下的断后延伸率。在室温下，In50Pb50焊料的断后延伸率最高，达到了49.9%。在-100℃以上，四种焊料均能保持较好的断后延伸率，但是当温度下降至-150℃，Sn63Pb37焊料的断后延伸率陡降至19.7%，其他三种焊料则仍能保持较高的断后延伸率。当温度进一步下降至-196℃，Sn62Pb36Ag2焊料的断后延伸率也出现了陡降的现象，而In50Pb50、Pb88Sn10Ag2焊料仍保持较高的断后延伸率。（3）拉伸断裂曲线。Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2、In50Pb50、Pb88Sn10Ag2焊料在不同温度条件下的拉伸断裂曲线。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在室温～-100℃范围内，四种焊料拉伸应力应变曲线都由三部分组成：弹性变形、塑性变形和颈缩之后断裂。这说明在此温度范围内，四种焊料的断裂方式都是韧性断裂。当温度继续下降至-150℃和-196℃时，Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2焊料的拉伸—断裂曲线发生显著改变，焊料在发生少量的塑性变形之后突然断裂，没有发生颈缩。因此可以判断，-150℃和-196℃时，Sn63Pb37与Sn62Pb36Ag2焊料的断裂机理先后转变为脆性断裂。
3推荐使用的几种无铅焊料
3.1SnZnln焊料
锡锌系合金中加人锢可有效降低合金的熔点。MeCormaek较早对SnZnln合金进行了研究,得到的结论是:锢的加人可以有效提高润湿力,缩短润湿时间。铺展性试验表明,锢的表面活性作用使其聚集在液态焊料表面呈现正吸附,导致表面自由能降低。在锡锌共晶中加入锢,其抗拉强度和抗剪强度会降低,但即使锢的含量超过10%(原子分数,下同)的Sn一9Zn一xnI焊料,其抗剪强度也高于Sn-40Pb,这说明采用S二9Zn一xnI软焊料合金替代Sn-40Pb时其连接强度不存在问题阁。然而由于锢价格昂贵,加人锢使合金成本大大上升。
3.2Sn-Ag-In-Bi
目前研究的无铅焊料主要是Sn-Ag系合金，由于其优良的高温稳定性和可操作性而被作为首选的替补焊料。但是熔点过高始终是Sn-Ag合金的一个致命弱点。而在Sn中添加适量的In和Bi则可有效地降低合金熔点，并改善浸润性。但由于Bi是半金属，又脆又硬，如果形成粗大的组织会使机械性能劣化。焊点的连接强度会随Bi添加量的增加而降低。另外，添加过多的金属Bi会明显降低金属延伸率。在Sn-Ag系合金中添加In同样能使合金的熔点降低，而对机械性能影响较小。合金强度随In添加量的增加而逐渐提高，而蠕变性则在In质量分数为3%时最好，过量或不足都会使该性能下降。
3.3nZnAg焊料
在锡锌合金中加人银可以提高合金的抗拉强度、抗剪强度以及焊接接头强度,这是因为:（1）接头中细小的Ag3Sn金属间化合物有析出强化的作用。(2)在SnZnAg焊料侧形成了扇贝状的Cu5Sn5取代了SnZn系合金中的Cu5Zn8.Cu5Sn5不与焊料合金直接反应从而阻碍了锡的扩散,防止了锡基焊料在焊接过程中锡贫化现象的产生。(3)细小的Ag一Zn化合物强化了焊接接头。室温下锡在锌中的溶解度不超过。0.05%,而铜在锌中的溶解度却大得多,因此锡锌合金与铜的接头在时效条件下,基板中的铜大量溶人焊接接头可能导致焊接接头失效。研究了加人银的锡锌系合金的时效问题。随时效时间的延长,合金中Ag3Sn相数量增多。在180℃时效1O00h,部分溶解于Cu6Sn5的银排解出来与锡进一步形成Ag3Sn相,这些Ag3Sn相与补偿元素一样防止了科肯达尔空位的形成,提高了接头的可靠性。
结语
从以上试验结果中我们可以看出，在-100℃以上，四种焊料均能保持较高的断后延伸率。Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2焊料的断裂机理在低温下均存在“脆性断裂”转变现象，断口微观组织形貌随温度下降变化明显。Sn62Pb36Ag2焊料相对于Sn63Pb37焊料“脆性断裂”转变温度更低，其在-150℃下仍能保持较高的断后延伸率。In50Pb50、Pb88Sn10Ag2焊料在-196℃～室温范围内一直保持韧性断裂，断口微观形貌随温度变化不明显。
参考文献
[1]欧阳自远.我国应尽早实现自主探测火星[J].科技与生活,2017(19):10-10.
[2]谭春林.国外航天器在轨故障统计与分析[J].航天器工程,2016,20(4).
论文作者:李霞
论文发表刊物:《基层建设》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/8
标签：焊料论文; 合金论文; 强度论文; 温度论文; 加人论文; 室温论文; 条件下论文; 《基层建设》2019年第23期论文;